一种铜及其合金晶粒尺寸的高通量检测方法与流程

本发明属于x射线衍射分析技术领域，尤其涉及一种铜及其合金晶粒尺寸的高通量检测方法。

背景技术：

铜具有优良的导电性，导热性和抗氧化，广泛应用于工业及日常生活中。铜的强度较低，除了合金化，晶粒细化有助于提高其强度，尤其是高温抗蠕变性能。但铜在电解，铸锭，加工及热处理等工艺中，若工艺参数或合金元素成分不合适，极易引起晶粒异常长大。比如高纯铜，微量的杂质元素as，bi等造成晶粒粗大。

粗大的晶粒组织对后续零部件，靶材等的使用性能影响较大，电导铜棒使用中，大电流及周围变压器等电器的温升，较小的外应力即引起其蠕变断裂。靶材在使用中，热应力及溅射速率的影响，粗大晶粒组织引起导致开裂，成膜厚度不均，表面粗糙度增加等质量问题。

可以看出，对铜及其制品的晶粒尺寸测试尤为重要。目前多采用金相制样并显微观察判断其晶粒尺寸，不过对于成品件难以检测。因此提供一种对于成品件无损，高速准确的测试，尤其是粗大晶粒识别方法是急需解决的技术难题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种铜及其合金晶粒尺寸的高通量检测方法，步骤如下：

1)在未知晶粒尺寸的工件待测点上放置内孔尺寸为2mm的遮光孔或透光管；

2)采用x射线衍射装置，测定待测点的德拜衍射斑图谱；

3)当出现衍射斑点，德拜环不可见时，晶粒尺寸＞1mm；当德拜环可见，晶粒尺寸≤1mm。

进一步的，还包括当德拜衍射图谱中德拜环呈断续状态，并且衍射斑点可见时，0.5＜晶粒尺寸≤1mm；德拜环呈连续状态，并且衍射斑点不可见时，晶粒尺寸≤0.5mm。

所述连续状态为：在该出现的德拜环位置上，各处均有衍射强度，环状衍射信号完整；所述断续状态为：在该出现的德拜环位置上，部分没有衍射强度，环状衍射信号较弱，仅分布不连续的衍射峰。

更进一步的，还包括更换内孔尺寸为1mm的遮光孔或透光管，当德拜衍射图谱中德拜环呈断续状态时，0.1＜晶粒尺寸≤0.5mm；当德拜环呈连续状态时，晶粒尺寸≤0.1mm。

更进一步的，还包括更换内孔尺寸为0.5mm的遮光孔或透光管，测定待测点的德拜衍射图谱；所述德拜衍射图谱中德拜环呈断续时，0.05＜晶粒尺寸≤0.1mm；当德拜环呈连续状时，晶粒尺寸≤0.05mm。

所述x射线衍射装置中射线源为短波x射线源，具体包括mo靶、v靶。

所述x射线衍射装置配置有二维平面或球形探测器，具体包括阵列探测器，位敏探测器，ip板。

所述x射线衍射装置的光源至样品的工作距离为10～30mm，具体为15mm。

所述遮光孔为带通孔板片状，材质为非晶态玻璃质，遮光孔外形具体为圆形，遮光孔内孔形状具体为锥形。

所述透光管为上大下小锥形通孔形管，材质为非晶态玻璃质，上端连接x射线源窗口，下端贴近样品待测点。

本发明的有益效果在于：

1.本发明对待测样品的规格和尺寸无特殊要求，无需破坏样品，特别适用于大型工件，成品件的测量，可以快速判定大量不同尺寸物质的晶粒的尺寸范围。

2.本发明可以准确的判定粗大晶粒组织样件的尺寸区间。

3.本发明检测方法适用于粗大晶粒的甄别，主要用于铜及铜合金材料，包括铸锭，靶材，电导棒，互连线等制品，该方法无需破坏，真正实现高速高通量的在线原位的大规模检测。

附图说明

图1为本发明中装备有二维探测器的便携式测量装置的结构示意图。

图2(a)为本发明中涉及的遮光孔结构放大示意图。

图2(b)为本发明中涉及的透光管结构放大示意图。

图3(a)为本发明实施例1获取的德拜衍射图。

图3(b)为本发明实施例1获取的金相图谱。

图4(a)为本发明实施例2获取的德拜衍射图。

图4(b)为本发明实施例2获取的金相图谱。

图5(a)为本发明实施例3获取的德拜衍射图。

图5(b)为本发明实施例3获取的德拜衍射图。

图5(c)为本发明实施例3获取的金相图谱。

图6(a)为本发明实施例4获取的德拜衍射图。

图6(b)为本发明实施例4获取的德拜衍射图。

图6(c)为本发明实施例4获取的金相图谱。

图7(a)为本发明实施例3获取的德拜衍射图。

图7(b)为本发明实施例3获取的金相图谱。

图8为本发明检测方法流程示意图。

其中：

1-x射线光源；2-探测器；3-待测样品；4-遮光孔；5-x入射线；6-x衍射线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，本发明实施例中装备有二维探测器的测量装置的结构示意图；包括x射线光源1、探测器2、待测样品3、遮光孔4，x射线光源1放置在探测器2上方，光源正下方放置待测试样3，待测试样3的待测点上放置遮光孔4，x射线光源1入射线5穿过遮光孔照射在待测样品3上，并形成x衍射线6，最终形成德拜衍射图谱。

x射线产生衍射的必要条件之一是衍射矢量与晶面法向重合，对于较小的晶粒尺寸，遮光孔内存在千百个不同取向的晶粒，加上晶胞中晶面族中有多个不同取向的晶面，衍射矢量与晶面法向重合的几率较大，强度较高的特征x射线发生衍射，衍射线呈圆锥形分布，从而探测器可以获得较为完整的德拜环，在该出现的德拜环位置上，各处均有衍射强度，环状衍射信号完整，即为连续状。当遮光孔内的晶粒数量较少时，衍射矢量与晶面法向的重合几率小，难以形成完整的衍射德拜环，在该出现的德拜环位置上，部分没有衍射强度，环状衍射信号较弱，仅分布数个不连续的衍射峰，即为断续状。而当遮光孔中晶粒仅有1个或几个时，在该出现的德拜环位置上很难出现衍射峰，而此时由于衍射背景低，强度较弱的非特征x射线存在某波长与衍射矢量刚好满足布拉格衍射条件，从而产生衍射斑点，或者特征x射线在晶体中衍射线作为二次入射线再次发生衍射的多级衍射斑点会被探测器收集到，而这些斑点多在德拜环以外的区域出现。从而可以根据获得的德拜环及衍射斑点信息，以及遮光孔尺寸推断晶粒尺寸范围。

检测装备不限具体仪器厂家和型号，但需要有x射线光源，x射线照射位置可标识，需有二维面探测器，二维探测器可以是阵列探测器，亦可是位敏探测器，或ip显示板。

检测方法中采用装备有便携二维探测器的应力测量或衍射分析，单晶定向等，可以收集完整德拜环的装置。便携式测量装置为单晶衍射仪、单晶定向仪、应力测量仪等配置有二维平面或球形探测器，至少可以收集到2条德拜环信息。

本发明中x射线光源可以是v靶、mo靶等，尽量选择波长较短的且与铜作用荧光效应较小的靶材，x射线照射位置可标识。

x射线照射方向，探测器与样品测试表面的夹角没有特殊要求，但考虑工作距离较近，避免探测器被遮挡，探测器与样品表面尽量平行。

遮光孔、透光管或其他可实现光斑大小调整的部件，比如准直器，光阑等。遮光孔为带通孔板片状，材质为非晶态玻璃质，遮光孔外形状优选圆形，但不局限于圆形，遮光孔内孔形状优选锥形，但不局限于锥形，透光管的孔尺寸为2mm，1mm，0.5mm。

透光管为上大下小锥形通孔形管，材质为非晶态玻璃质，上端连接x射线源窗口，下端较细，贴近样品待测点，透光管内孔尺寸为2mm，1mm，0.5mm。

本发明的铜及铜合金晶粒尺寸高通量检测方法，其具体步骤如下：

(1)清洁工件待检区，去除沾污；

(2)采用装备有二维探测器的便携式测量装置，将x射线光源至样品的工作距离调整到10-30mm；调整光斑位置至待测点；x射线光源至样品的工作距离适当减小，可以控制在15mm，以便收集到更多的衍射信息。

(3)在待测点放置直径2mm的如图2(a)和2(b)所示结构的遮光孔或遮光管，开启高压及射线窗口，测量并收集德拜环和衍射斑点等。

(4)分析德拜环及衍射斑点的完整性，判断晶粒尺寸区间，识别粗大晶粒。

(5)若德拜环完整，依次更换小尺寸1mm和0.5mm的遮光孔。

(6)根据德拜环及衍射斑点信息，并基于表1和图8的检测方法流程示意图对应关系，推断晶粒尺寸范围。

(7)晶粒尺寸大时，德拜环不完整，甚至不出现，同时多级衍射现象出现衍射斑点。晶粒尺寸约小，德拜环区域完整。根据测试的德拜环及衍射斑点的特征，并结合遮光孔或透光管的尺寸(光斑)，识别粗大晶粒，判断晶粒尺寸区间。

依次更换遮光孔或通光管，控制x射线光斑尺寸，并收集的德拜环连续性，以及衍射斑点的特征，综合判定晶粒的尺寸范围。

若德拜环较为完整，或者无明显的衍射斑点，晶粒细小时。若需要进一步区分晶粒区间，可以更换小孔径遮光孔，减小光斑尺寸，再次测量并判定。

若使用2mm遮光孔，衍射图谱中德拜环模糊，或不可见，但有衍射斑点，且探测器未收到遮挡，一般可判定为晶粒粗大；为更明确进行判定，可以适当调整x射线照射方向以及探测器与样品的夹角，尝试收集所需的信息。

若使用2mm遮光孔，衍射图谱中德拜环不可见，出现衍射斑点，或多级衍射斑点，可以判断样件的晶粒尺寸粗大(＞1mm)。若德拜环较为完整，或无明显的斑点，则晶粒细小(≤1mm)。

为进一步区分细小晶粒的粒径(≤1mm)区间，依次将遮光孔尺寸减小1mm和0.5mm，再次测量。

对于铜及铜合金，德拜环，衍射斑点及晶粒尺寸对应关系见表1。

表1德拜衍射图谱与晶粒尺寸对照表

实施例1

样品为热轧退火铜板，按照以下步骤进行晶粒尺寸的快速分析：

(1)将样品的待测区域用酒精擦拭，去除沾污；

(2)x射线光源1(x射线管)为v靶，调整x射线光源1与样品的距离，x入射线垂直入射样品，将x射线光源至样品的距离调整至15mm；

(3)在待测点放置直径2mm的遮光孔，开启高压，将电压调整至30kv，电流2ma，打开射线窗口，测试并收集衍射德拜环，如图3(a)所示，为实施例1获取的德拜衍射图谱；

(4)分析表明，无德拜环，有少量的衍射斑点，依据表1，可以判断晶粒尺寸大于1mm。

(5)为进一步验证本发明的准确性，将样品进行金相磨平并抛光，采用fecl3盐酸水溶液进行侵蚀并观察，结果如图3(b)所示，可以看出，晶粒肉眼可见，晶粒尺寸大于1mm。表明本方法判断结果较为准确可靠。

实施例2

样品为热轧退火铜板，按照以下步骤进行晶粒尺寸的快速分析：

(1)将样品的待测区域用酒精擦拭，去除沾污；

(2)x射线光源1(x射线管)为v靶，调整x射线光源1与样品的距离，x入射线垂直入射样品，将x射线光源至样品的距离调整至15mm；

(3)在待测点放置直径2mm的遮光孔，开启高压，将电压调整至30kv，电流2ma，打开射线窗口，测试并收集衍射德拜环，如图4(a)所示，为实施例2获取的德拜衍射图谱；

(4)分析表明，德拜环断续，有少量衍射斑点，依据表1，可以判断0.5＜晶粒尺寸d≤1mm。

(5)为进一步验证本发明的准确性，将样品进行金相磨平并抛光，采用fecl3盐酸水溶液进行侵蚀并观察，结果如图4(b)所示，可以看出，晶粒尺寸较大，分布在0.5＜d≤1mm范围。表明本方法判断结果较为准确可靠。

实施例3

样品为冷轧退火铜板，按照以下步骤进行晶粒尺寸的快速分析：

(1)将样品的待测区域用酒精擦拭，去除沾污；

(2)x射线光源1(x射线管)为v靶，调整x射线光源1与样品的距离，x入射线垂直入射样品，将x射线光源至样品的距离调整至15mm；

(3)在待测点放置直径2mm的遮光孔，开启高压，将电压调整至30kv，电流2ma，打开射线窗口，测试并收集衍射德拜环，如图5(a)所示，为实施例2获取的德拜衍射图谱；

(4)分析表明，德拜环连续，无衍射斑点，依据表1，可以判断晶粒尺寸不大于0.5mm。

(5)更换1mm遮光孔，重新收集衍射德拜环，如图5(b)所示，分析表明，德拜环断续，无衍射斑点，判定0.1＜晶粒尺寸d≤0.5mm。

(6)为进一步验证本发明的准确性，将样品进行金相磨平并抛光，采用fecl3盐酸水溶液进行侵蚀并观察，结果如图5(c)所示，可以看出，晶粒处于0.1＜d≤0.5mm尺寸范围。表明本方法判断结果较为准确可靠。

实施例4

样品为冷轧退火铜板，按照以下步骤进行晶粒尺寸的快速分析：

(1)将样品的待测区域用酒精擦拭，去除沾污；

(2)x射线光源1(x射线管)为v靶，调整x射线光源1与样品的距离，x入射线垂直入射样品，将x射线光源至样品的距离调整至15mm；

(3)在待测点放置直径1mm的遮光孔，开启高压，将电压调整至30kv，电流2ma，打开射线窗口，测试并收集衍射德拜环，如图6(a)所示，为实施例2获取的德拜衍射图谱；

(4)分析表明，德拜环连续，无衍射斑点，依据表1，可以判断晶粒尺寸不大于0.1mm。

(5)更换0.5mm遮光孔，重新收集衍射德拜环，如图6(b)所示，分析表明，德拜环断续，无衍射斑点，判定0.05＜晶粒尺寸d≤0.1mm。

(6)为进一步验证本发明的准确性，将样品进行金相磨平并抛光，采用fecl3盐酸水溶液进行侵蚀并观察，结果如图6(c)所示，可以看出，晶粒在0.05＜d≤0.1mm尺寸范围内。表明本方法判断结果较为准确可靠。

实施例5

样品为冷轧退火铜板，按照以下步骤进行晶粒尺寸的快速分析：

(1)将样品的待测区域用酒精擦拭，去除沾污；

(2)x射线光源1(x射线管)为v靶，调整x射线光源1与样品的距离，x入射线垂直入射样品，将x射线光源至样品的距离调整至15mm；

(3)在待测点放置直径0.5mm的遮光孔，开启高压，将电压调整至30kv，电流2ma，打开射线窗口，测试并收集衍射德拜环，如图7(a)所示，为实施例2获取的德拜衍射图谱；

(4)分析表明，德拜环连续，无衍射斑点，依据表1，可以判断晶粒尺寸≤0.05mm。

(5)为进一步验证本发明的准确性，将样品进行金相磨平并抛光，采用fecl3盐酸水溶液进行侵蚀并观察，结果如图7(b)所示，可以看出，晶粒尺寸均小于等于0.05mm。表明本方法判断结果较为准确可靠。